抗干扰培训-专家培训第3-2章独立接地和共用接地.ppt

1 独立接地和共用接地Independentearthingandcommonearthing 徐义亨编 2 8独立接地和共用接地 在许多信息 控制系统需要接地的场合 应该是独立接地还是共用接地 这个问题至今还在争论 似乎没有完全解决 本章对有关独立接地与共用接地的特点以及对它们的评价作一介绍 3 8 1接地方式的形态 如果有几个并存的系统或设备需要接地时 接地的方式可以有如下图所示的四种形态 1 各个设备独立接地 4 2 将独立接地的接地线连接在一起 5 3 共用接地 6 4 将接地线连接到共用接地网上第一种为独立接地 后三种均为共用接地 7 8 2独立接地 DCS系统采用了计算机等数字电路技术 各部分电路需要有统一的工作基准电压 即该工作基准电压起到建立一个统一的信号参考点的作用 如几部分电路没有统一的工作基准电压 就会造成系统工作异常 理想的独立接地应该是那样 如果有接地极 其中一个电极中不论怎流过电流 对另一个接地电极就不应该发生电位上升的情况 8 9 当然 在工程中只要把电位上升限制在一定范围内 就可以看成是相互独立的 此时的接地极其间距决定以下三个重要因素 1 发生的接地电流的波形和其最大值 2 电位上升的容许值 3 该地点的大地的电阻率 10 在这里介绍以棒状接地极 半径为7mm c长度为3m 为例 研究因工频接地电流I产生的电位上升 V 与间隔距离S的关系 表为有工频接地电流流入A电极时 计算出B电极发生电位上升到容许值 V的间隔距离 B 11 独立接地的间隔距离 m 注 本表相对于电阻率为 100 m 12 如果大地的电阻率很高 即使接地电流很小 间隔距离也会增大 由表所知 在实施独立接地时 必须采取大的电极间隔 在有限的场地内如有多个接地系统时 要找到足够的接地施工的空间是很困难的 13 8 3共用接地 所谓共用接地就是把几个设备系统汇集在一起 连接到设置在一个或几个地点的共用接地电极上的接地 其中 有连接接地线或把接地线汇集到一点 所以 在评价共用接地时 应该把接地作为系统来考虑 14 8 3 1共用接地的优点 1 接地线少 接地系统简单 维修检查容易 2 将各个接地电极并联连接 此时比独立接地的总电阻低 如果利用建筑结构体 因接地电阻非常小 更能显示出共用接地的优点 3 即使有一个接地极失效 其它电极也能补充 提高了接地的可靠性 4 因为可以减少接地电极的总数 节省设备施工的费用 5 如在爆炸危险场所 因电气设备故障或雷击会形成建筑物不同部位地电位差的存在 这时如意外地连接不同地点的设备会产生电火花引起爆炸或损坏设备 无法保障人身和控制系统的安全 如采用共用接地系统 由于实现了等电位连接 建筑物各处均为等电位 从而就可减小或避免这种危险的发生 6 由于建筑物各处均为等电位 减小了进入控制系统电子线路的共模干扰 15 8 3 2共用接地存在的一个问题 R1 16 共用接地存在的一个主要问题就是电位上升而波及的危险 在共用接地的场合 如果在共有接地设备中有一个发生接地电流 就会流入大地 这时因各个接地电极总是有些接地电阻 就会使接地点的电位上升 如果是独立接地 由接地电极引起的电位上升仅限于本身而不波及它极 这是理想的接地 而如图所示共用接地 由接地电流引起的电位上升会波及到共用接地的全部设备 17 所以在实施共用接地的场合 对于因共用接地而连接的全部设备必须要考虑发生的接地电流的性质以及电位上升给系统带来的影响 接地电流的性质包括接地电流的大小和波形 持续时间的长短以及发生的概率 例如 由直击雷在外部避雷装置的接地系统上可以产生的电流很大 如200kA 频率也很高 高至1MHz 但持续时间很短 s级 又如在设备电路和大地之间有大电容滤波器 会有相当大的位移电流流向大地 如果大电流高电压的工频用电设备 会有漏电流长时间地流向大地等等 下面就该问题提出几个解决问题的方法 18 8 3 3如何解决共用接地系统的电位上升 1 降低共用接地系统的接地电阻如果共用接地系统的接地电阻很低 那么电位上升波及的危险不会有太大的问题 由接地网的接地电阻的简易公式可知 要降低共用接地系统的接地电阻 一可增加地网总面积S 二可降低土壤的电阻率 如果要把某共用接地网的接地电阻减小到原来的二分之一 则要将接地网面积增加到原来的四倍 这在工程现场几乎是不可能的事 所以更多的是通过采用降阻剂来实现 如选用稀土防雷防腐降阻剂 其降阻有效率可在60 90 之间 19 2 保持离大的接地电流系统的接地点有一定的距离在共用接地网上建筑物避雷针的接地点和DCS的接地点 沿地下接地体的长度必须大于15米 即经过15米的距离 一般能沿接地体传播的雷电过电压衰减到不足以危及设备的绝缘 土壤的电阻率愈低 该距离就愈小 在共用接地网上大电流 高电压的用电设备的接地点和DCS的接地点 沿地下接地体的长度必须大于10米 20 3 保证整个DCS系统的所有接地点都在同一个共用接地网上在石油化工企业里 有许多高的金属塔器是直接利用金属塔器的金属壁作引下线的 而金属塔器上又有许多测量元件和变送器 高的金属塔器一当遭到雷击 由于强大的雷电流通过金属塔的接地装置 使位于金属塔上的变送器随整个塔产生电位浮动 相对于DCS系统之间会产生很大的地电位差 随即会产生闪络 反击 使变送器 DCS损坏 为了防止产生反击 反击的原理见后图 应把避雷针和DCS的接地装置都连接到共用接地网上 21 DCS 地电位分布曲线 地电位差 接地干线 信号线 可达200kA的雷电流 金属塔器 位于塔上的变送器 22 一个孤独的设备如果和空间其它的设备和人没有接触联系的话 而所有的接地点仅通过一个接地参考点连接在共用接地网上 那么接地系统的电位上升对该设备的损坏不会产生影响 这就像水涨船高的原理一样 问题就在DCS系统除了DCS本身的接地点外 还有变送器 执行器等许多现场设备 这些设备大多都自然接地 如果这些自然接地体和共用接地网没有连接而且又在外部防雷系统的附近 则在外部防雷系统接闪时 会因为地电位的升高而产生反击 所以必须保证整个DCS系统 包括现场的变送器 执行器 的所有接地点 包括自然接地点 都应在同一个共用接地网上 23 8 4建筑结构体的接地方法 在接地电极中 可以采用棒状 线状 板状等人工接地极 也可利用水管等作自然接地极 以前所述的接地极都是人工接地极 自然接地极并不是那种以接地为目的的施工物体 而是将与大地接触的导电性物体来代替接地极使用的 这种物体以前使用的水管多半为金属管 但近几年来水管用合成树脂制成 好多场合已经不能作为代用接地电极了 于是有人就想利用建筑结构体位地表下部分的钢筋作自然接地极 最初提出该想法的是美国的H G Ufer Ufer电极 的名称由此而来 24 建筑结构体接地的必要条件是结构体必须为钢架 钢筋混凝土制造 而不是砂浆或木造的 钢架和钢筋本身有很好的导电性 而且贯穿到整个建筑物并通过混凝土与大地接触 只要混凝土不是绝对的绝缘物 从宏观上可以认为结构体就是一个接地电极 25 8 4 1建筑结构体的电气特性 在钢架造 钢筋混凝土造和钢架 钢筋混凝土造的建筑物中 其本体结构无疑是牢固的 即柱或梁等都是相互紧密结合 但是建筑物结构体的各个部分是否以很低的电阻互相连接着呢 换言之 建筑物结构体是否是一个以导体构成的 电笼 cage 26 钢架造的大厦 因钢架之间是用铆钉或螺栓连接的 无疑是一个电笼 而对于钢筋混凝土结构的大厦 混凝土中主筋和箍筋就未必是连接的 所以有人就怀疑它不是电笼 在混凝土中钢筋和钢筋之间虽然是分离的 但是钢筋之间却充满了混凝土 从外观上看 混凝土如同坚硬的石头 但它比一般的岩石吸水性大 因此 处于湿润状态的混凝土的电阻率相当低 在加上躯体或柱有很大的截面积 所以即使是钢筋混凝土造的大厦 结构体的各部分也是以低电阻连接的 可以将它看成是电笼 27 实测某钢架造的高层大厦结构体电阻 从顶层到地下一层的直流电阻是10 3 用双电桥测钢筋混凝土结构的三层楼结构体的电阻的直流电阻是10 2 左右 所以 电笼 必须满足下列的两个条件 1 建筑物必须是钢架造 钢筋混凝土造 钢架造 钢筋混凝土造 而且要有相当大的地下部分与大地接触的面积 2 施工地点的土壤电阻率要低到一定的程度 28 8 4 2建筑结构体的接地电阻 建筑结构体如下图所示 地上建筑部分 地下建筑部分 29 建筑结构体的地表下部分与大地接触着 设结构体与大地的接触面积 包括结构体的底面积与侧面积的总和 为A m2 土壤电阻率为 m 则其接地电阻为 由式可知 结构体与大地的接触面积A愈大 接地电阻就愈小 30 结构体接地的实测例子 日本 31 8 4 3建筑物防雷区等电位连接及共用接地系统 下图为 GB50343 2004建筑物电子信息系统防雷技术规范 规定的建筑物防雷区等电位连接及共用接地系统 建筑物内应设总的等电位接地端子板 每层竖井内设置楼层等电位接地端子板 各设备机房设置局部等电位接地端子板 32 当建筑物采取总等电位连接措施后 各等电位连接网络均与共用接地系统有直通大地的可靠连接 每个电子信息系统的等电位连接网络 不宜再设单独的接地引下线接至总等电位接地端子板 而宜将各个等电位连接网络用接地线引至本楼层或电气竖井内的等电位接地端子板 33 等电位连接与共用接地系统是内部防雷措施中两种不同而又密切相关的重要措施 其目的都是为了避免在需要防雷的空间内发生生命危险 减小电子信息系统因雷击而中断正常工作 发生火灾等事故 34 35 9接地技术面临的挑战 接地和 引雷入地 技术发明的真正鼻祖 应追溯到300年前 来华传教士 葡萄牙人安文斯 1609 1677 在 中国的十二大奇迹 一书中对中国建筑的特点和渊源的述说 他在书中介绍 屋顶脊吻龙上的金属条一端插入地里 这样 当闪电落在屋上或皇宫时 闪电就被龙舌引向金属条通路 并且直奔地下消散 因而不致伤害人 见林清凉 戴念祖著的 电磁学 他的记述比起1753年美国科学家富兰克林在进行雷电试验时 在大地上安装了接线端子 即实施了所谓的接地 要早一个世纪 36 接地作为由中国人开创的一种应用技术 在电气 电子 控制等行业里的功能似乎是无可非议的 但是近些年 在这个古老而又在不断发展的技术领域内 在中国的接地工程界里却出现了一些令众家而争鸣的大问题 现不妨简要地予以介绍 37 9 1 接地电阻不可测 应予废除 权威著作 辞海 对接地电阻的定义是 接地体对地电阻和接地引线电阻的和 数值上等于接地装置对地电压与通过接地体流入地中电流的比值 这个定义似乎很严谨 但在实践中难以测量 38 全国雷电防护标准化技术委员会制定的 信息系统雷电防护术语 对接地电阻的定义是 接地极与零的远方接地极之间的欧姆定律值 这个定义在措辞上比 辞海 更严谨一点 但仍然没有可操作性 39 我们在前面 已经介绍了由日本高桥健彦对接地电阻所作出的定量的定义 在这个定义里 实际上存在着两个值得思考的问题 1 电阻的最初概念是来自欧姆定律 即R U I 欧姆定律的适用范围是金属导体 而土壤并不是金属导体 所以用欧姆定律来定义接地电阻是不适宜的 2 欧姆定律只用于电路 而土壤层不是 路 而应该是 场 40 2002年黑龙江省防雷中心六名技术人员用一台从日本进口的高级地阻测试仪对一个建筑物地网进行了28次测量 测得的数据共14组 最小值为0 7 最大值为100 两者相差竟达140倍 对此 有人对 接地电阻 这个已经沿袭100多年的概念产生了怀疑 其代表人物是清华大学的虞昊教授 他认为 见 中国防雷 2006年NO 1 41 1 文献上对应于不同形状的接地极的接地电阻计算公式都是立足于这样的一个假设 接地电流从接地极进入地下深处 沿着半径的辐射方向均匀流向无穷远 而迄今为止的任何测量 都是测量两个电极之间流过的有限范围的地表介质的电阻状态 以至把对象给置换了 2 电路 的概念是不能代替 电磁场 的概念去解释接地电流的流动状况 接地电流中包括了高频成分 高频电流必有趋肤效应 若认定土壤为导体 则电流必沿地表面流动 42 3 国际上目前之所以还没有各国公认的 接地电阻 标准件 不仅现在没有 而且永远也不可能有 其原因就是 接地电阻 是不可测的 4 只有用Maxwell的电磁场理论才能够真正检验和解释有关接地的电磁现象 43 虞昊教授认为 之所以出现上述黑龙江省防雷中心测量接地电阻时读数相差一百多倍的问题 其原因就在每次测量时 因辅助电极在土壤中的深浅不一而导致电流流动的分布发生重大的变化 从而导致测量的不确定性 除非将电流的回归电极即辅助接地体A做成大面积并埋在几十米以下的深度 但有哪家仪表厂肯如此规定呢 所以他认为 接地电阻不可测 应予废除 44 9 2人类科学技术的发展 总是呈螺旋式的上升 人类科学技术的发展 总是呈螺旋式的上升 当初人们基于土壤的导电性和具有无限大的容电量 所以把土壤地层理解为等电位点或等电位面 把它作为电路或电子系统的基准电位 用来保护人身和设备的安全以及抑制干扰 之后 人们又